重新認識銀河系中心的巨型黑洞

新的觀測幾乎已經證明，在銀河系的中心隱藏著一個巨大的黑洞。現在天文學家正試圖了解它的食性以及他附近的年輕恆星。

談到速度，天文學家很有發言權。超新星爆發可以把脈衝星以超過1000千米每秒的速度射向太空，而γ射線暴則可以把物質加速到接近光速。但是最近對銀河系中心附近恆星速度的測量，使得即使是最資深的高能天體物理學家也為之興奮。

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互相競爭的兩個德國和美國天文學家小組，深入銀河系的中心，他們發現巨大的恆星正以狹長的軌道繞著不可見的物質運動，而且速度高達9000千 米每秒。這些恆星的運動提供了強有力的證據，在我們銀河系中心有一個差不多400萬太陽質量的超大質量黑洞，這是迄今對其質量的最好估計值。

與此同時，這也帶來了一些新的問題。例如，沒有人能解釋為什麼在那裡會出現這些15個太陽質量的巨大恆星。按照大多數的理論模型，在銀心的混 沌中是不可能形成如此大質量的恆星的，而且由於它們又太年輕，所以也不可能來自銀河系的其他地方。更難以理解的是年老的中央黑洞，射電和X射線觀測顯示， 它是一個非常挑剔的「食客」，僅僅消耗了其周圍氣體的十萬分之一，而且它每次「進食」也沒有規律。幾乎每天，它都會有一個小時左右的暗弱爆發，這正是黑洞 吞噬氣體的寫照。

「解決這些問題將有助於我們了解黑洞的宏觀特徵，」麻省理工學院（MIT）的天文學家弗雷德里克·白岡諾夫（Frederick Baganoff）說，「而且這是我們第一次如此細緻、如此近距離的觀察一個超大質量黑洞。」

像彗星一樣疾馳

幾十億年前，銀河系的黑洞可能也是一個強大輻射源的中央引擎，就像宇宙中遙遠的類星體一樣。但是，現在的它已經歸於平靜。「它現在是一個極為 普通的星系中央黑洞，」加州大學洛杉磯分校（UCLA）的天文學家馬克·莫里斯（Mark Morris）說，「就像其他星系中央的黑洞一樣。」

正如老生常談的那樣，銀河系的中央黑洞被證明很難以捉摸。早先觀測到在銀心附近盤旋的氣體就暗示這是被大質量天體拖曳所造成的。但是沒有人能確定那是由於黑洞、電離氣體的強磁場，或者還是由於大量中子星所造成的。

[圖片說明]：在銀河系的中心（上圖），大質量恆星正以類似彗星的軌道繞銀河系中央黑洞運動。

為了確定可疑中央天體的質量，天文學家開始跟蹤銀心附近恆星的軌跡。但是當他們將望遠鏡指向銀河系中心——射電源人馬A*（Sgr A*）時，塵埃擋住了去路。幸虧由於新的觀測手段和工具改變了這一現狀，那就是紅外觀測和自適應光學系統。

在90年代早期，德國馬普地外物理研究所的一個由瑞英哈德·甘澤爾（Reinhard Genzel）和安德瑞斯·埃卡特（Andreas Eckart）領導的小組開始使用歐洲南方天文台（ESO）的3.6米新技術望遠鏡來跟蹤人馬A*附近的恆星。另一個由UCLA的安德瑞·甘茨 （Andrea Ghez）領導的小組使用10米凱克望遠鏡也進行著同樣的工作。近十年來這兩個小組互相競爭，你追我趕。同時這兩個小組近幾年來一直與大氣擾動做著不懈的 鬥爭。他們通過間縮短曝光時間來提高圖像的清晰度，但是效果不是很理想。

去年，事情出現了重大轉折。甘澤爾的小組開始使用歐南台8.2米的甚大望遠鏡。更重要的是，這兩個小組都開始使用自適應光學系統來提高影像的清晰度，它可以消除大氣湍動所帶來的影響。於是在觀測到的圖像中出現了更多的恆星，包括一些極其靠近銀河系中心的恆星。

當甘澤爾和甘茨以時間序列排列他們觀測到的恆星時，驚人的結果出現了。他們發現銀心附近的恆星正以類似太陽系彗星的軌道運動。其中，一顆由甘 茨於去年夏天公布並由甘澤爾小組於2002年10月17日出版的《自然》雜誌上加以討論的恆星，去年初距離人馬A*只有17光時——大約是日地距離的 120倍。觀測數據涵蓋了它15年軌道周期的三分之二。「你可以拿出你的標尺量一下，這是一個地道的開普勒橢圓，」甘澤爾說。根據牛頓萬有引力定律，由觀 測到的軌道可以推算出中央天體的質量大約是370萬個太陽質量。

通過跟蹤另一顆恆星的軌跡，甘茨小組發現它具有雪茄形的軌道，在極端情況下它的運動速度甚至可以達到光速的1/30。3月份，甘茨在網上公布了他的有關文章。

兩個小組的天文學家認為，只有一個超大質量黑洞才能使恆星以如此狹長的軌道運動。如果是一群聚集在一起的小黑洞或者是其他緻密天體（例如中子 星）導致的開普勒運動，那麼這個系統由於引力交會和散射作用會在10萬年之內瓦解。「用超大質量來解釋這一動力學現象是很完美的，」哈佛-史密松天體物理 中心的天文學家喬納森·格林德雷（Jonathan Grindlay）說，「這是非常漂亮的觀測。」

無常的食客

另一些天文學家則把注意力集中到了銀心本身的物理特性上。「我很樂意相信銀河系中央有一個超大質量黑洞，」加州大學聖克魯茲分校的桑德拉·法伯（Sandra Faber）說，「我對黑洞如何影響它周圍的環境非常感興趣。」

現在很清楚，銀河系的中央引擎並不是一些巨型星系中數十億太陽質量黑洞的微縮版本，這些巨型星系中黑洞往往會釋放出巨大的能量，並且會形成噴 流。天文學家認為漂動的分子雲和大質量恆星的星風為銀心黑洞提供了足量而穩定的塵埃和氣體。如果黑洞大量吞噬這些物質，就會釋放出巨大的能量，其亮度將是 現在的10萬倍。「很難理解當氣體掉入黑洞時，居然沒有釋放出大量的能量，」加州大學伯克利分校的天體物理學家埃利奧特·奎塔特（Eliot Quataert）說，「一種可能的解釋是僅有少量的氣體掉入了黑洞，其他的氣體都被驅散了。」

[圖片說明]：這是一張X射線照片，大小為100光年，它顯示了由銀河系中央黑洞噴出的兩瓣高溫氣體（2點鐘方向和7點鐘方向）。

射電觀測證實了奎塔特的觀點。加州大學伯克利分校的天文學家喬弗瑞·鮑厄（Geoffrey Bower）及其同事使用BIMA射電望遠鏡陣研究了人馬A*射電輻射的偏振。大量下落的氣體和塵埃會隨機的散射電磁波，但是少量的物質則不會，一些電磁 波仍將保持原先的偏振特性。

這個小組在即將出版的《天體物理學報》上撰文，他們的觀測顯示射電輻射的偏振度大約為7%。這一結果支持了先前由英國哈特福德郡大學天文學家 大衛·埃肯（David Aitken）的觀測結果，每年大約只有相當於地球質量1%的氣體掉入黑洞。「銀心黑洞看起來非常的孤立，」鮑厄的合作者、馬普射電天文研究所的海諾·法 爾克（Heino Falcke）。

天文學家現在還並不知道為什麼只有這麼少的氣體掉入黑洞。UCLA的莫里斯說，周圍恆星的星風為黑洞儲存了大量的氣體。同時MIT的白岡諾夫 也注意到，大約1萬到5萬年前在銀心附近有一次超新星爆發。儘管人馬A*的確切空間位置現在還不是很確切，但是它應該就在超新星爆發遺迹的範圍之內。那次 超新星爆發的爆震波可能吹散了聚集在人馬A*周圍的塵埃和氣體。

另外，天文學家相信有一部分氣體確實掉入了黑洞。NASA的錢德拉X射線天文台和歐洲空間局的XMM-Newton望遠鏡都觀測到了人馬A*持續一個小時或更長時間的X射線暴，增量幅度為5-50倍。

這些爆發和宇宙學尺度的爆發相比弱了很多，白岡諾夫說：「如果這些爆發發生在（鄰近）的仙女星系，由於太暗弱了，我們根本就不會注意到。」不過弄清楚這些爆發的源對於我們了解黑洞還是相當重要的。

在各種會議以及互聯網上，天文學家提出了各種各樣的解釋。白岡諾夫認為這些爆發源自黑洞吞噬彗星狀的氣體團塊。MIT的天體物理學家塞瑞·馬 科夫（Sera Markoff）認為這些爆發和太陽爆發很相似，是由於黑洞附近電離氣體的磁力線突然聯接導致了爆發。另外在《天文學和天體物理學》雜誌上，馬普天文研究 所的塞根·納延克森（Sergei Nayakshin）認為，當恆星穿過黑洞旁的物質盤時引發了這些爆發。白岡諾夫說，未來的空間X射線觀測以及地面上其他波段的觀測將會給我們一個最終的 答案。

年輕無止境

同時，格林德雷說，「另一個奇異的問題」是為什麼會有年輕的恆星出現在那裡。氣體雲需要一個穩定而且低溫的環境來坍縮形成恆星。但是來自中央黑洞以及周圍恆星的引力，會使得銀心附近的氣體雲根本無法坍縮。

那麼這些恆星是不是形成於其他地方呢？甘茨小組在4月1日出版的《天體物理學報通信》上撰文，否定了這一假說。通過對一顆靠近銀心的恆星的光 譜觀測顯示，這顆恆星的質量為15個太陽質量。甘茨和甘澤爾小組跟蹤的其他恆星質量估計也與此相當。這些恆星的壽命只有1萬年，因此大多數天文學家認為， 它們在如此短的時間內是不可能從銀河系中其他地方到達現在的位置的。甘澤爾說：「對於這些恆星來說，這是不可能的任務。」

就像X射線暴一樣，對於年輕恆星的解釋也多種多樣。甘澤爾和他的小組認為這些恆星是由於黑洞旁小質量恆星合併形成的。其他人則認為碰撞不可能 形成如此巨大的恆星。阿姆斯特丹大學的天體物理學家西蒙·波特吉斯·茨沃特（Simon Portegies Zwart）說，當一個大質量星團掉向黑洞時，只需要1百萬年它就會瓦解，並且散落出其中的大質量恆星。

莫里斯則堅持認為大質量恆星就是在它們現在所在的地方形成的。「銀河系中心是引力勢阱的底部，」他說，「只要允許，就會有大量的氣體湧入其 中。」莫里斯說，銀心附近的大質量恆星及其星風是這些氣體的主要來源。他認為，當恆星死亡時，氣體便開始快速聚集。這一坍縮過程足以和銀心的潮汐理相抗 衡，進而導致在黑洞旁的物質盤中有恆星形成。

不管上面的哪一種假說，時間都顯得不夠。當恆星近距離從黑洞旁經過時，黑洞會剝離它的一部分外層大氣，並且去處一些比較重的分子，例如一氧化碳。這就會使得它們比看上去的要年輕。甘茨笑著說：「它們可能本身就是年老的恆星，但是由於『化妝』而顯得年輕了。」

隨著甘澤爾和甘茨小組不斷的深入銀河系的中心，相信會有更多的線索。自適應光學技術也將進一步改進，而且這一技術將同時用於多架望遠鏡以實現 干涉觀測。儘管碰撞和不同尋常的恆星形成過程可能促使恆星大質量化，但是天文學家還是希望藉助先進的觀測手段發現一些銀心周圍的小質量恆星。

最終，兩個小組希望能看到位於黑洞邊緣的恆星。按照亞利桑那大學天文學家福維奧·米利亞（Fulvio Melia）的話來說，到2010年一個覆蓋全球的毫米波射電望遠鏡網將能夠觀測到銀心黑洞的視界。

米利亞說，這將是對銀河系中心認識的歷史性轉變。「銀河系中心是最熱鬧非凡的地方，但是被塵埃遮擋了幾個世紀，」他說，「現在新的觀測手段將物理理論推到了極限，在幾年之內它就將會對相對論做出最終的檢驗。」

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